TW200812543A - Image guided surgery system - Google Patents

Description

200812543 九、發明說明·· 【發明所屬之技術領域】 本揭示内容係關於影像導引手術线，其包括—有利之 位置偵測系統。 【先前技術】 =像導引手術系統可從美國專利第5,389，1 G1號得知。 衫像導引手術系統一般用於輔助外科醫生在手術期間定 位外科儀ϋ。複雜手術期間，外科醫生直接看見他/她在 病患體内移動外科儀器的位置通常很難，甚至不可能。马 手術系統在顯示器件上為外科醫生顯示外科儀器： 4打外科手術之區域的位置。因此，影像導引手術系 2使外科醫生可在病患内部及越過直視移動外科儀器，而 無損壞要害部分之危險。 “象導引手術系統之位置福測系統包括兩個相機， 八攸不同方向拾取外科儀 之衫像影像導引手術系統包 、從來自兩個相機之影像彳 〜彳冢仏唬獲付外科儀器空間内位 的貧料處理器。手術期間，為 局外科醫生顯不先前收集之 〜像。例如，可將手術前 风0電細斷層攝影（CT)影像影 像或磁共振（MRI)影像顯示 Αϊ 、皿视為上。資料處理5|計瞀 外科儀器在影像内的對應位 〇 哭夕者μ 7 ，、、、員不之衫像中，將外科儀 口口之男際位置與使用外科儀哭 俄时之區域的影像一起加以顯 >|v 〇 此一影像導引手術系統較佳 盔从、〆 的係用於神經手術中，以便 為卜科醫生顯示外科儀器 长蔡又手術之病患腦部内的位 H8157.doc 200812543 w彩像導引手術系統之缺點係難 移動至測景尸々!> — 传知外科儀器何時 私動至測里％外。若將儀器移 測系統不能再债測外科儀器之位置。^外和則位置债 ==題之嘗試中，美國專利第$ =::1Γ系統’其併入可(例如從半導體雷射) 屋生先源之指不器系統。 ) 然而’問題仍存在。光學追 赍危益士 ^位置偵測系統之相機通 /、員先配置成其光軸會聚於遠 會聚點大致定義光學追距離處。此 疋義先干追I糸統之視場中心（”甜點”）。由於 難以决疋光學追縱系统之3 …… 糸、、先之視场中心的位置，難以最佳地在 外科壞境中定位相機系統。 、巾首先手動將光學追蹤系統定位於近似位置，令 U方位©向期望卫作空間（即手術區域）。接著使用者(例 如外科醫生)嘗試追蹤期望工作區内之物件，以測試工作 空間是否係包含於光學追蹤系統之視場内(即測量場)。若 結果係否定’使用者對追蹤系統之位置及/或方位作出調 整並運订3測式。該等迭代繼續直至發現光學追縱系 統之方位及位置令人滿意為止。 另外，2005年1月20 η八& Α佈之美國專利申請第2005/ ⑼15099 Am揭示—種外科位置測量裝置，其包括用於決 定外科工具位置的至少兩個雷射束n關於克服在手 ㈣序期間迅速確保相機視場及手術區域實質上一致的問 題，仍無揭示内容。 118157.doc 200812543 【發明内容】 本H之-目的係提供影像㈣手㈣統，其包括^ 可準確引導至手術區域之位置病測系統。 此二係藉由依據本揭示内容之影像導引手術系統來實 二二寺徵為位置_系統具有用於標記位置軸統之 敏感區域的指示器系統’其具有複數個半導體雷 兩個半導體雷射。 】如 4 =域係外科儀器在外科治療期間移動的空間。指示 Γ艮於手術區域顯示位置债測系統敏感的空間部 刀P位置偵測系統之測量場 像的空間部分。藉由相料彼此相枝早70拾取影 來引導位置偵測系統。 及手術&域 較佳的係將相機單元引 车淋♦产* x 但亦可移動接受 打之病心，以便移動位置倘 域。指示器系統顯示測量場是否二=…的手術區 於位置偵測系統敏感的區域，位置系以於手％區域。由 易準確地加以料，即令測 、統之相機單元容 複雜由於離開測量場之外科儀器而發生的 殺雜化。此舉減小了對實行複的 此外，依據本揭示内容之影像卜：-生的屋力。 精細測試運行，以便在可開始==現不必要的 單元。依據本揭示内容之影像導引確地引導相機 腦部或脊髓之外科手術，亦 1、、不僅在病患的 器官之手術中提供料優點。。、他解剖學區域及/或 118157.doc 200812543 依據本揭示内容之寻 “象*引手術系統的較佳具體實施例 之特欲至少部分传救J 、 ’、、扎不态糸統配置成標記該區域之中 :員:“土 /不耗性具體實施例中，指示器系統 ':之㈣上處於測量場中間的位置。當指 所 準禮地引導至手併「Γ 重合％，將位準損測系統 …-旦 為替代方案，將指示器系統配 ‘”、不測置場之邊界。後-情形中，當測量場之邊双俜 3手術Q域時’將位置_系統準確 術區域。 V至手 依據本揭示内容之影像導引手術系統的另_較佳 施例之特徵至少部分係將指為 提供該區域之再現。 Μ配置成在顯不器件上 7域在顯示器件上之再現係，例如，顯 之中心，或指示測量場中心之標總。测量場之再現：= 與手術區域一起顯示於顯示器件上。因此 “ 導位置制系統，使得測量場對應於手術區：。即，：:； 準位=侦測系統之同時’將實際測量場與手術區域—起顯 ' 顯示器件顯示如何使測量場與手術區域—致： /據本揭示内容之影像導引手術系統的另一較佳具體實 鉍例之特徵至少部分係將指 域。 為系統配置成測量手術區 此類較佳/示範性具體實施例中 偵測放置於手術區域内之光源，盆 、光-己置成 〃 將要移動外科儀器。 118157.doc 200812543 此類具體實施例中，位置谓測系統之相機單元-般亦用於 偵測光源。除使用分離光源外，也可_接受手術之卢 :::㈣中，較佳的係使用紅外線相機，其亦可為位置丙 之相機。進-步將指示器系統配置成在顯示器件 t顯不光源或病患本身之影像。#測量場未充分對應 則私不益糸統不能夠偵測光源或病患。每測旦 區域僅有極少重疊時，則會在測量場之周： 福測到光源或病患。 依據本揭示内容之影像導引手術系統的另—較佳 :Γ之特：至少部分係將指示器系統配置成在關注區域内 生可見標記（即兩個雷射束之交又點）。 記顯示測量場處所。特定言之，可見標記顯示測 里场之中心。因此，可指示測量場之位置。 則康本揭示内容之影像導引手術系統的另一較佳具體實 :二特：至少部分係指示器系統包括兩個用於發射分離 :射束之半導體雷射，其在測量區域内交又並產生一可見 半導體雷射係設置於相機單元上，以便各雷射束 员貝上追蹤各相機之光軸。 “、田射光束落至手術區域並產生一光點，其形成一可 見‘°己一較佳的係雷射光束之交叉點位於測量場之中心。 光點顯示手術區域內、| | 中心。例如，當影像導引手 腦部手術時’在光點落至病患的頭部的適當位 寸石地引導位置積測系統。例如，此類適當位置包 的頭部中間或稍高於該中間的位置。選擇光點應落 118157.doc 200812543 、置的外科醫生或助理考慮欲實行手術之區域。此 外，避免放置於影像導引手術系統附近的任何設備阻礙相 機單元之測量場。 —半導體雷射發射較窄光束。此外，半導體雷射—般較便 、八有4χ低功率消耗。較佳的係使用！類半導體雷 射’其對病患及工作人員無害，且發射可見光。 /揭示内容之該等及其他方面將參考以下具體實施例並 餐考圖式予以詳細說明。 【實施方式】 式顯示依據本揭示内容之示範性影像導引手術系統之 不思圖。影像導引手術系統包括位置镇測系統，其包括且 有至^兩個相機10及資料處理器2之相機單元】。相機料 科儀器11之不同方向拾取影像。例如，相機1併入設置於 剛性框架上之兩個CCD影像感測器。框架可移動，以便將 CCDm引導至手術區域。將來自分離相機之影像信號 或來自位於連續相機位置之相機的隨後影像信號供應至資 料處理益2。為此目的’藉由電镜17將相機單元旧合至資 =處理器2。資料處理器2包括電肋，其根據影像信號計 异外科儀器相對於經受外科手術之病患12的位置1影像 處理器22併入資料處理器2。外科儀器安裝有光或紅外線 發射二極體13(LEDsiURED)，其發射相機職感的輕射。 電私21亦计异外科儀器叫先前產生之影像内的對應位 置’例如CT影像或MRI影像。將„資料及/或_資料儲 存於記憶體單元23内。 H8157.doc 200812543 影像資料中，將基準標記成像，其係放置於病患身上的 特定位置。例如，將易受錯或歐影響之標記放置於病患 耳部、鼻部及前額。在手術開始時，採用具有咖或膽d 之外科儀器指示基準標記，並藉由位置该測系統測量宜空 間位置。電職計算轉換財，其將基準標記空間内^位 置連接至標記影像在先前產生之影像内的對應位置。此轉 換矩陣隨後用於為實際手術區域内之任意空間 像内之對應位置。 〜 將來自記憶體單元23之資料供應至影像處理器&將電 肋計算之位置資料亦供應至影像處理器&或者可 ::21:式化，以計算外科儀器位置關於固定參考系統之座 後將影像處理器22配置成將該等座標轉換為影像内 對應位置。進—步配置影像處理器，以根 位置選擇-組適當的影像資料。例如，此-適當組2 術區域中特U段之㈣刪影像資料。影像處理哭 生一影像信號，其組合先前產生 對庫Μ η』 像資料與外科儀器之 子應位置。在先㈤產生之影像f 儀器之對應位置。 丨見中’亦顯不外科 二，操縱外科儀心之外科醫生7可在顯示器件$上看 見外科儀器U在手術區域内之實際位置。顯示哭件$上 舉例而言，顯示CT影像，而外科儀器之影像8位利 内=應位置。因此’外科儀器在手術區域 ΓΗ示器件5上。例如，顯示器件係包括陰極射線St 皿視斋，但亦可使用LCD顯示螢幕。 118157.doc -12- 200812543 相機單元1包括指示琴糸 杰系統，例如其包括兩個半導 射3。半導體雷射3係分 千¥體田 °又置於邮近相機10之相機單开 上，並加以定位及定向 械早疋 .,0 . 使侍杳射之雷射束會接近及追蹤 各相機之光軸並交又’從而在測量場内產生可見標記之: 叉點。各半導體雷射透過 人 機早凡之測$場發射較窄先 束。因此，本揭示内容之系 3备之糸統間化了醫學/外科環 置偵測系統之設置。使用去 、 、， 吏用者/外科醫生可快速觀察雷射束 之父叉點’並定位也署扁、丨^ 偵測系統之相機單元（即光學追蹤 糸、、先）’以便將交叉點6定位 疋位於病患的身體上的手術區域 内，從而確保相機之測量場實質上與手術區域重疊。為準 確地引導相機單元，以#相她抑_ ^ 便相機早疋之測量場覆蓋手術區 域，將光點6定位於手術區域之中心。 依此方式，可實現測量場從手術區域中心沿所有方向延 t Λ _ $ n s 1 Λ ’大幅減小及’或完全消除將外 科儀器移動至相機單元之測量場外的風險。此外，避免放 置於影像導引手術系統附近的任何設備阻礙相機單元之測 量場°即’若將某-設備放置於相機單元及手術區域間， 則交叉雷射束在阻擋之設傷上而非病患上產生光點6。因 此？丨導相機單元之人員立即明白設備阻擋了相機單元之 測量場，以及應在開始手術前重新配置設備。 此外’指示器系統可包括位於手術區域之輻射源4。採 用相機10觀察輻射源4。藉由電腦21及影像處理器22處理 相機之影像信號。在顯示器件5上顯示輻射源之影像4。較 佳的係將影像處理器22及監視器5配置成將相機單元丨之測 HB157.doc -13· 200812543 量場中心顯示於監視器5之 輻射源4成像於顯示螢幕中間時) ^ 。接著，當將 較佳的係使用紅外線發射_ 、 也引‘相機單元1。 發射相機1G實質上敏感的為輻射源，此類1娜 亦可使用病患本身。該情形中，^射。除分離1RED外， 影像，其係顯示於監視器上。目1G拾取病患之紅外線

位置偵測系統或光學追蹤系統用於定 個或更多相機觀察目標物件 一’内物件。兩 制旦m 口 —… 空間内對其位置做三角 :里制…口。。*大略省滑鐵盧市Northern Digital =造6rrs心㈣統。刚統具有有限視場。 :;二Γ須設定追蹤系統，以便其視場覆蓋期望之 衣如’假疋吾人想要在外科室追蹤插入病患的 腹部的腹腔鏡及/或内視镑夕/ 視鏡之位置。必須將光學追蹤系統 疋位於4立置，以便其視場覆蓋病患的腹部周圍的區域。 因此’根據本文所揭示之發明’此定位問題得以克服。 考慮本文之本發明之影像導引系統對於人類肝臟中腫瘤 生檢之用途。位置偵測系統將用於追縱病患及生檢針頭之 位置。使用者將開啟雷射並尋找雷射束交叉的點。使用者 接著會疋向並重新定位位置偵測系統，以便交叉點與病患 的肝臟位置一致。因此，可快速地將病患的肝臟定位於位 置偵測系統之視場中心内。 本揭示内容之影像導引系統的用途之其他範例包括定位 及/或定向醫學針頭或導管之使用，並用於可攜式及旋轉X 射線成像系統以及手持式超音波轉換器。 I18157.doc -14- 200812543 儘管迄今說明之位置偵.測系統使用併入相機單元之光學 系統作為用於從正在追蹤其位置之物件接收信號的接收器 構件之一項具體實施例，預計在本揭示内容之框架内，亦 可使用本技術中熟知的其他接收器構件。例如，除用於接 收視覺或光學信號之相機外，此類用於成像之接收器構件 可接收超音波信號（例如，參見美國專利第5,563,346及 5,5 11,423號）；磁性或電磁信號（例如，參見美國專利第 • 7，’，342、6,99()，417及65856,823號）；以及射頻（灯)信號 (例如’參見美國專利第6,762,600號）。 雖然係針對特定具體實施例來說明本發明，熟習技術人 士應認識到可實現許多修改、增強及/或變更，而不背離 本t明之精神與範疇。因此，需要明確本發明僅由申請專 利範圍及其等效方案限制。 【圖式簡單說明】 為輔助熟習技術人士實施並使用所揭示之系統，請參 H 附圖。 〆 圖1顯不依據本發明之影像導引手術系統之示意圖。 【主要元件符號說明】 1 相機單元 2 資料處理器 3 半導體雷射 4 , 輻射源 5 θ — 顯不器件/監視器 6 ^ 父叉點/光點 I18157.doc 200812543 7 外科醫生 8 影像 10 相機 11 外科儀器 12 病患 13 光或紅外線發射二極體（LED或IRED) 17 電纜 21 電腦 22 影像處理器 23 記憶體單元 118157.doc -16-

Claims (1)

1. 200812543 \ 申請專利範圍： i. 一種影像導引系統，其包含： 置偵測系統’其用於偵測-外科儀器在欲接受手 術之-病患的-手術區域内之_位置，該位置偵測績 包含用於拾取传雜夕 N 、為 取仏唬之—接收器構件、用於館存 一影像的一記情鞅g _、 心之 "_兀以及用於處理來自該接收器構件 之仏唬以偵測該外科儀哭 苒件 之-㈣位…置及用於將該外科儀器 器構=位置❹於該病患之已儲存影像上的資料處理 域，:;：=、統，其用於標記該手術區域之-測量區 —X 統在該測量區域内敏 器系統包含兩個半導俨+射^ 甲忒私不 ，其用於發射在該測量區域 .内乂又並產生一可見標記之分 射之各個係靠折兮^ ^寺牛V體雷 1固係罪近该接收器構件加以設置，以便 束之各個實質上追蹤 i亥“射 _顯干… 接“構件之信號接收軸；以及 七'°π，/、用於顯示該病患之該已儲存影像，盆且 有該外科儀器之疊加偵測位置。 ，、像…、 2.如請求項1之影像導引系統，其進一步包含： 一位置倘測系絲，1田 術之一 、，、用於偵測一外科儀器在欲接受手 術之一病患的一手| 包含且有… 内之—位置，該位置偵測系統 ffl有用於拾取影像信號的至少兩個相機之一相機單 几、用於儲存—病患之-影像的一記伊 相枝早 處理來自該相機 ：以體早-以及用於 置以及用於將該外科#哭々 卜科儀益之位 儀益之—债測位置疊加於該病患之 118157.doc 200812543 該已儲存影像上的資料處理器構件； 、扣不裔系統，其用於標記該手術區域之一測量區 域’该位置偵測系統在該測量區域内敏感；其中該沪示 器^統包含兩個半導體雷射，其用於發射在該測划域 内父又並產生一可見許 見钻圯之分離雷射束，該等半導體帝 射之各個係設置於嗜相搶w _ 田 、機早兀上，以便該等雷射束之各 個κ貝上追蹤各相機之光軸；以及 ❿ *”、貝不态，其用於顯示該病患之該已儲 有該外科儀器之疊加偵測位置。 其具 3 ·如請求項1之影像暮 糸統’其中在該測量區域之中心 產生该可見標記。 4·如請求項1之影像導引备处 ^ ^ , 用於將f 其資料處理器構件亦 用於將4日不戎測量區域 匕竦之該中心的一標誌疊加 之該已儲存影像上。 且力於忒病患 5 ·如睛求項1之影像暮 豕導引糸統，其中該資料處理哭槿杜t 用於將指示該測量區的夕π 处里时構件亦 ^ 口 匸域之圓周的一輪廓疊加於該病 該已儲存影像上。 、忑病患之 6·如請求们之影像導引系統，其中該 包含用以偵測該病患之—與 糸、充進一步 二欠社* 田别於像的構件，並且复中兮 貝枓處理器構件亦用於將該病患之該中5亥 病患之該已儲存影像上。〜像璺加於該 118157.doc